海洋潮位計(jì)量是關(guān)于潮位測(cè)量的科學(xué)，實(shí)現(xiàn)海洋潮位單位統(tǒng)一、量值準(zhǔn)確可靠是我國(guó)潮位測(cè)量的主要目標(biāo)之一。目前常用的潮位測(cè)量方法主要有GPS法、遙感法、壓力法、聲學(xué)法、激光法和圖像法等[1-6]。我國(guó)水利部水文儀器及巖土工程儀器質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)測(cè)試中心的10 m潮位檢測(cè)裝置，其檢測(cè)精度優(yōu)于3 mm，但是該裝置不能實(shí)現(xiàn)潮位的實(shí)時(shí)自動(dòng)測(cè)量。四川省水文水資源勘測(cè)局的潮位檢測(cè)裝置的檢測(cè)范圍為0～10 m，允許誤差為±2 mm，雖然測(cè)量精度有所提高，但依然無(wú)法實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)檢測(cè)和自動(dòng)檢測(cè)。國(guó)家海洋標(biāo)準(zhǔn)計(jì)量中心的海洋潮位檢定計(jì)量裝置的檢測(cè)范圍為0～8 m，允許誤差為±2 mm。雖然該裝置能夠?qū)崿F(xiàn)自動(dòng)檢測(cè)，但仍無(wú)法實(shí)現(xiàn)潮位的實(shí)時(shí)測(cè)量。本文基于以TI公司的TMS320DM642（以下簡(jiǎn)稱DM642）數(shù)字信號(hào)處理器為核心處理器的海洋潮位檢測(cè)系統(tǒng)，采用嵌入式軟件的方式對(duì)來(lái)自電荷耦合元件CCD（Charge-Coupled Device）的海洋潮位視頻信息進(jìn)行處理，并制作了試驗(yàn)樣機(jī)進(jìn)行相關(guān)試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果表明，該樣機(jī)可在保持較高測(cè)量精度的基礎(chǔ)上對(duì)潮位視頻信息進(jìn)行高速采集、實(shí)時(shí)處理及自動(dòng)識(shí)別，基本彌補(bǔ)了原有潮位檢測(cè)裝置精度低、非自動(dòng)、非實(shí)時(shí)的不足，在技術(shù)上具有一定的先進(jìn)性。同時(shí)，本研究成果可為濱海旅游、工程建設(shè)等業(yè)務(wù)帶來(lái)重要的經(jīng)濟(jì)效益，對(duì)海洋預(yù)報(bào)、科學(xué)研究和國(guó)防建設(shè)等公益性事業(yè)具有較高的社會(huì)效益。
1 潮位檢測(cè)裝置工作流程
    海洋潮位檢測(cè)裝置主要由水塔、儲(chǔ)水池、電機(jī)控制系統(tǒng)、潮位信息獲取裝置（CCD）和圖像處理系統(tǒng)（DSP）等部分組成，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。檢測(cè)裝置工作流程為：海洋潮位檢測(cè)裝置通過(guò)電機(jī)控制進(jìn)/排水閥模擬海水漲/落潮，以透明軟管中的水位模擬海洋潮位，由CCD自動(dòng)獲取實(shí)時(shí)潮位圖像，利用圖像處理技術(shù)通過(guò)鋼尺的刻度獲取實(shí)時(shí)水位值。

2 軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)
    海洋潮位檢測(cè)裝置軟件系統(tǒng)包括嵌入式軟件和上位機(jī)軟件兩部分，其中嵌入式軟件用于控制DM642芯片實(shí)現(xiàn)潮位識(shí)別功能，上位機(jī)軟件用于完成潮位值的實(shí)時(shí)顯示、存儲(chǔ)與回放等功能。軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)流程圖如圖2所示。
2.1 嵌入式軟件設(shè)計(jì)
    嵌入式軟件設(shè)計(jì)在TI公司提供的集成代碼開(kāi)發(fā)環(huán)境CCS(Code Composer Studio)下進(jìn)行，主要完成圖像預(yù)處理和潮位識(shí)別兩個(gè)任務(wù)。CCD獲取的視頻采用PAL制式，每幀圖像576行，每行720個(gè)像素。
    (1)圖像預(yù)處理
    首先，對(duì)圖像進(jìn)行中值濾波[7]。中值濾波本質(zhì)上是一種統(tǒng)計(jì)排序?yàn)V波器，對(duì)于原圖像中的某點(diǎn)(x，y)，中值濾波選擇以該點(diǎn)為中心的鄰域內(nèi)所有像素的統(tǒng)計(jì)排序中值作為(x，y)點(diǎn)的響應(yīng)，如式(1)所示：
  
    本文采用3×3的結(jié)構(gòu)元素對(duì)二值圖像反復(fù)進(jìn)行腐蝕和膨脹操作，從而可以消除二值圖像噪聲，形成粗細(xì)適中的潮位線、軟管邊界線和鋼尺邊界線，以方便后續(xù)的潮位識(shí)別處理。
    (2)潮位識(shí)別
    潮位識(shí)別過(guò)程簡(jiǎn)述如下。
    ①設(shè)計(jì)并初始化數(shù)字特征模板。根據(jù)鋼尺長(zhǎng)度和刻度數(shù)字分布，確定數(shù)字特征模板的樣本數(shù)。每個(gè)數(shù)字樣本選取25個(gè)特征，由此得到數(shù)字樣本的特征模板。
    ②計(jì)算每個(gè)像素實(shí)際代表的物理長(zhǎng)度。根據(jù)整幅圖像豎直方向的像素個(gè)數(shù)m和顯示屏的高度x，每個(gè)像素實(shí)際代表的物理尺寸k可由式（5）求得：
    k=x/m (mm)                                                      (5)
    ③獲取鋼尺邊界、軟管邊界和潮位線。由于此時(shí)的處理對(duì)象為二值圖像，因此，邊界提取較為簡(jiǎn)單。如果圖像相鄰兩個(gè)像素的灰度值相等，則表示此處不存在邊界；反之，若灰度值不相等，則表示此像素即為一個(gè)邊界像素點(diǎn)，遍歷判斷所有像素點(diǎn)即可獲取鋼尺邊界、軟管邊界及潮位線。
    ④鋼尺刻度數(shù)字圖像獲取。尋找鋼尺上處于潮位線下方的第一個(gè)數(shù)字的邊界，從而提取刻度數(shù)字的圖像，進(jìn)而獲取鋼尺刻度數(shù)字的數(shù)字特征。
    ⑤數(shù)字特征匹配。將第④步中獲取的鋼尺數(shù)字特征與模板中所有數(shù)字的數(shù)字特征進(jìn)行比對(duì)，按照最小距離法確定鋼尺數(shù)字，從而確定潮位的粗略高度，即水位線的厘米值數(shù)字h0（cm）。
    假定count為兩個(gè)樣本數(shù)字特征之間的距離且初始值為0，s1為鋼尺刻度數(shù)字樣本，s2模板數(shù)字樣本，則鋼尺數(shù)字樣本與模板中某一樣本距離的計(jì)算方式如下：
    for(i=0;i<24;i++)
        {
        count+=(s1[i]-s2[i])*(s1[i]-s2[i]);
    }
    ⑥潮位值獲取。根據(jù)每個(gè)像素實(shí)際代表的長(zhǎng)度k及鋼尺數(shù)字（h0）的水平中心位置至潮位線的像素?cái)?shù)n，利用式（6）求出自鋼尺數(shù)值水平中心至潮位線的高度h1：
    

    (1)void CMy1Dlg：：OnButtonread()，打開(kāi)串口，開(kāi)始讀取數(shù)據(jù)。
    (2)void CMy1Dlg：：OnButtonstop()，停止讀取，關(guān)閉串口，結(jié)束數(shù)據(jù)讀取過(guò)程。
    (3)void CMy1Dlg：：ProcessDis(CString s)，對(duì)接收數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，并對(duì)小數(shù)點(diǎn)位進(jìn)行設(shè)置，以確保滿足測(cè)量精度指標(biāo)。
    (4)void CMy1Dlg：：OnButtonsave()，選擇保存路徑。
    (5)void CMy1Dlg：：OnButtonopen()，查看存儲(chǔ)數(shù)據(jù)，可以實(shí)現(xiàn)測(cè)量數(shù)據(jù)的回放，方便后續(xù)的圖像處理。
3 試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析
    為了全面評(píng)價(jià)基于DSP的海洋潮位檢測(cè)裝置的檢測(cè)效果，對(duì)試驗(yàn)樣機(jī)進(jìn)行了準(zhǔn)確性和穩(wěn)定性測(cè)試。試驗(yàn)在實(shí)驗(yàn)室正常溫度和光照（含打開(kāi)/關(guān)閉室內(nèi)燈光）條件下進(jìn)行，測(cè)量潮位高度范圍為0～8 m。
    CCD獲取的潮位視頻信息如圖4所示，圖中水平橫線為潮位線，左側(cè)是與水塔相連的透明軟管，右側(cè)是用于標(biāo)定潮位值的鋼尺。系統(tǒng)運(yùn)行后，圖3所示的上位機(jī)軟件界面中，左側(cè)顯示檢測(cè)裝置的實(shí)時(shí)測(cè)量潮位值及測(cè)量時(shí)刻，右側(cè)顯示潮位曲線圖。

3.1 準(zhǔn)確性評(píng)價(jià)
    檢測(cè)裝置的準(zhǔn)確性可用示值誤差E進(jìn)行評(píng)價(jià)。示值誤差越小，表示樣機(jī)準(zhǔn)確性越高。若標(biāo)準(zhǔn)計(jì)量裝置獲取的潮位值（即標(biāo)準(zhǔn)值）為X，樣機(jī)示值為x，則示值誤差可由式（8）求得：
    E=x-X(8)
    試驗(yàn)選取了0 m、1 m、2 m&hellip;8 m共9個(gè)試驗(yàn)點(diǎn)位，分為潮位上升和下降兩個(gè)過(guò)程進(jìn)行試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果如表1所示。

    由試驗(yàn)結(jié)果可以看出，樣機(jī)的最大示值誤差絕對(duì)值為1.5 mm，優(yōu)于目前海洋潮位計(jì)量檢定的準(zhǔn)確度標(biāo)準(zhǔn)（&plusmn;2 mm）。
3.2 穩(wěn)定性評(píng)價(jià)
    檢測(cè)裝置的穩(wěn)定性可用標(biāo)準(zhǔn)偏差&sigma;進(jìn)行評(píng)價(jià)，標(biāo)準(zhǔn)偏差越小，表示樣機(jī)示值的樣本值越接近平均值，從而其穩(wěn)定性越高。若樣機(jī)示值的樣本值為xi，均值為&mu;，每個(gè)試驗(yàn)點(diǎn)位進(jìn)行重復(fù)測(cè)試的次數(shù)為N，則標(biāo)準(zhǔn)偏差可由式（9）求得：
  
    選取2 m、4 m和7 m共3個(gè)試驗(yàn)點(diǎn)位進(jìn)行試驗(yàn)，每個(gè)點(diǎn)位分別在潮位上升和下降兩個(gè)階段各重復(fù)檢測(cè)10次，即N=10，試驗(yàn)結(jié)果如表2所示。

    由試驗(yàn)結(jié)果可以看出，樣機(jī)的最大標(biāo)準(zhǔn)偏差為0.54 mm，檢測(cè)裝置的穩(wěn)定性良好。
    本研究將DSP技術(shù)和數(shù)字圖像處理技術(shù)應(yīng)用于海洋計(jì)量檢測(cè)領(lǐng)域，在實(shí)驗(yàn)室環(huán)境下，潮位檢測(cè)裝置可檢測(cè)的潮位變化范圍為0～8 m，檢測(cè)最大示值誤差為1.5 mm，最大標(biāo)準(zhǔn)偏差為0.54 mm，性能較國(guó)內(nèi)現(xiàn)有同類系統(tǒng)有較大幅度提升。研究成果實(shí)現(xiàn)了實(shí)時(shí)、自動(dòng)、高精度的潮位檢測(cè)，對(duì)提高我國(guó)海洋潮位觀測(cè)水平有一定的促進(jìn)作用，應(yīng)用前景較為廣泛。但是，本文代碼包含的子函數(shù)和變量較多，函數(shù)間引用關(guān)系較為復(fù)雜，所以對(duì)運(yùn)行速度和效率造成較大壓力。為進(jìn)一步提高運(yùn)行速度和檢測(cè)精度，需要對(duì)算法和代碼進(jìn)行優(yōu)化。
參考文獻(xiàn)
[1] 歐陽(yáng)永忠，陸秀平，孫紀(jì)章，等.GPS測(cè)高技術(shù)在無(wú)驗(yàn)潮水深測(cè)量中的應(yīng)用[J].海洋測(cè)繪，2005，25(1)：6-9.
[2] 鄭宗生，周云軒，蔣雪中，等.崇明東灘水邊線信息提取與潮灘DEM的建立[J].遙感技術(shù)與應(yīng)用，2007，22(1)：35-38.
[3] 張博，張朝亮，鄧玉芬，等.基于Hough變換和Harris檢測(cè)的光學(xué)驗(yàn)潮方法研究[J].海洋測(cè)繪，2011，31(4)：63-66.
[4] 賈偉廣，高占科.基于數(shù)字圖像和激光測(cè)距技術(shù)的海水潮位研究[J].儀器儀表學(xué)報(bào)，2013，34(3)：614-621.
[5] IWAHASHI M，UDOMSIRI S.Water level detection from video with FIR filtering[C].Proceedings 16th International Conference on Computer Communications and Networks，2007：826-831.
[6] Yang Xiwei，Ke Minyi，Chen Yonghui，et al.Water level measuring network design and implementation[C].2010 2nd International Conference on Information Engineering and Computer Science，2010：1-4.
[7] 李國(guó)燕，侯向丹，顧軍華，等.快速中值濾波算法的改進(jìn)及其FPGA實(shí)現(xiàn)[J].電子技術(shù)應(yīng)用，2013，39(2)：137-140.
[8] 滿增光，葉文華，樓佩煌，等.基于自適應(yīng)閾值的距離圖像線段特征提取[J].深圳大學(xué)學(xué)報(bào)理工版，2011，28(6)：483-488.
[9] 劉紫燕，祁佳.實(shí)時(shí)圖像邊緣檢測(cè)形態(tài)學(xué)優(yōu)化設(shè)計(jì)及FPGA實(shí)現(xiàn)[J].電子技術(shù)應(yīng)用，2013，39(9)：132-134.